Aktiivinen optiikka

Pelikenttä uusiksi

Koolla todella on merkitystä, samoin kuin muodolla. Molemmat ovat tärkeitä rakennettaessa yhä tehokkaampia teleskooppeja. Suurempien pääpeilien ansiosta tähtitieteilijät voivat taltioida enemmän valoa ja täydellisen muotoiset peilipinnat vaaditaan vääristymien välttämiseksi. Näiden kahden tekijän tehokas yhteispeli mahdollistaa himmeämpien kohteiden havaitsemisen. Valitettavasti tämä ei ole milloinkaan ollut helppoa, sillä täydellisen pinnanmuodon säilyttäminen käy sitä hankalammaksi mitä suurempi teleskoopin peili on.

Tämä haaste muodostui merkittäväksi 1960- ja 70-luvuilla. Tuolloin käytössä olleen teknologian avulla tähtitieteilijät ja insinöörit eivät kenneet rakentamaan teleskooppeja, joiden pääpeilit olisivat olleet halkaisijaltaan yli 5 metriä. Tuon rajan jälkeen kuvan laatu huononi huomattavasti, sillä painovoima vääristi peilien muotoa. Tuon aikaista teknologiaa käyttäen yli 5-metristen peilien käyttäminen olisi vaatinut valtavia tukirakennelmia peileille, mikä olisi tarkoittanut korkeampia rakennuskustannuksia. Sen seurauksena olisi tullut kohtuuttoman raskaita rakenteita ilman varmuutta paremmasta kuvanlaadusta. Piti löytää uusi tapa taata optinen tarkkuus.

Tuolloin ESO:n insinööri Raymond Wilson sai loistavan ja "yksinkertaisen" idean, jota kutsutaan aktiiviseksi optiikaksi. Ohutta ja muovailtavaa pääpeiliä säädeltäisiin aktiivisella tukijärjestelmällä, joka ohjaisi tarvittavan voiman korjaamaan painovoiman aiheuttamia vääristymiä teleskoopin vaihtaessa asentoaan (lue lisää ilmaisesta Claus Madsenin kirjoittamasta kirjasta Jewel on the Mountaintop).

Kun ESO:n 3.6-metrin teleskooppi vihittiin käyttöön vuonna 1976, aktiivinen optiikka oli yhä vasta idea Wilsonin mielessä. Siitä syystä teleskoopin pääpeili on puoli metriä paksu ja painaa uskomattomat 11 tonnia.

Uutta konseptia testattiin ESO:n päämajassa ohuella 1-metrin peilillä, jolla oli 75 aktiivisesti säädettävää tukijalkaa. Tällaisessa tukijalassa on moottori, joka liikkuu hyvin hienovaraisesti ja jota voi hallinnoida tarkasti: painamalla peiliä ne korjaavat sen muotoa ja kompensoivat painovoiman aiheuttamaa vääristymää. Teleskoopin liikkuessa tämä aktiivinen järjestelmä voi säilyttää peilin oikean muodon. Tukijalkojen aikaansaamat korjaukset lasketaan reaaliajassa tietokoneella, jonka kuva-analysaattori havaitsee pienimmätkin poikkeamat ideaalisesta peilin muodosta. Aktiivinen optiikka kehitettiin ESO:ssa ja tämän onnistuneen kokeen jälkeen siitä tuli NTT-teleskoopin (New Technology Telescope) hallitseva ominaisuus. Kiitos aktiivisen optiikan, NTT:n 3.58-metrin pääpeili on vain 24 senttimetriä paksu ja painaa 6 tonnia.

Yhden metrin teleskoopin tuenta aktiivisen optiikan koejärjestelyssä ESO:n päämajassa Garchingissa vuonna 1987.
Yhden metrin teleskoopin tuenta aktiivisen optiikan koejärjestelyssä ESO:n päämajassa Garchingissa vuonna 1987. Kuvan oikeudet: ESO
NTT-teleskooppi (New Technology Telescope) toimi aktiivisen optiikan edelläkävijänä.
NTT-teleskooppi (New Technology Telescope) toimi aktiivisen optiikan edelläkävijänä.
Kuvan oikeudet: ESO/C.Madsen. Bacon

NTT:n aloitettua toimintansa vuonna 1990, aktiivinen optiikka on otettu käyttöön kaikissa suurissa teleskoopeissa, mukaanlukien ESO:n VLT-teleskooppi (Very Large Telescope). Wilson sai useita palkintoja keksinnöstään, joka pisti tähtitieteen pelikentän uusiksi.

Jokaisella neljästä VLT:n yksikköteleskoopista (UT, unit telescope) on aikanaan paras aktiivisen optiikan järjestelmä. Järjestelmä säätää niin 8.2-metrin Zerodur-pääpeiliä kuin teleskooppirakenteen huipulla olevaa kevyttä 1.1-metrin berylliumista valmistettua apupeiliäkin. Tästä laitteesta tulevia signaaleja käyttäen teleskoopin peilejä korjataan automaattisesti säännölisin väliajoin

Kiitos tämän teknologian, neljän yksikköteleskoopin pääpeilit painavat kukin 22 tonnia, ovat halkaisijaltaan 8.2 metriä ja ovat silti vain 17 senttimetriä paksuja. Ne ovat jättimäisen ohukaisen muotoisia! Jokainen peili makaa 150 tietokoneella säädeltävän tukijalan päällä, jotka on asennettu äärimmäisen jäykkään koteloon, joka painaa noin 11 tonnia. VLT:n aktiivisen optiikan järjestelmä takaa, että nämä suuret peilit ovat aina optimaalisen muotoisia ja tuottavat aina ensiluokkaisia kuvia maailmankaikkeudesta.

VLT:n aktiivisen optiikan järjestelmä
VLT:n aktiivisen optiikan järjestelmä.
Kuvan oikeudet: ESO
Arvovaltainen astrofysiikan Kavli-palkinto myönnettiin vuonna 2010 Jerry Nelsonille, Raymond Wilsonille ja Roger Angelille heidän osallisuudestaan jättiläisteleskooppien 
kehittämisessä.
Arvovaltainen astrofysiikan Kavli-palkinto myönnettiin vuonna 2010 Jerry Nelsonille, Raymond Wilsonille ja Roger Angelille heidän osallisuudestaan jättiläisteleskooppien kehittämisessä. Kuvan oikeudet: ESO. Bacon

Aktiivisen optiikan tekniikka kohtaa nyt seuraavan suuren haasteensa suunnitteilla olevan E-ELT -teleskoopin (European Extremely Large Telescope) 39-metrisessä pääpeilissä. E-ELT:n pääpeili koostuu 798 yksittäisestä palasta. Jokaista palaa voidaan liikuttaa männällä ja kallistuslaitteistolla. Täten tämä mosaiikki toimii yhtenä jättiläispeilinä, joka kompensoi lämpötilamuutosten ja painovoiman vaikutukset.

Katso tästä muunmuassa aktiivista optiikkaa käsittelevä ESOcast: Seeing Sharp — Special 50th anniversary episode #3.

Tieteen kohokohtia

Useisiin ESO:n teleskooppeihin asennettu aktiivisen optiikan järjestelmä auttoi tekemään merkittäviä löytöjä: